粉煤灰砖生产工艺技术综述

2013-02-06季晓檬李正昊江南大学环境与土木工程学院江苏无锡214122

中国建材科技 2013年1期

季晓檬李正昊（江南大学环境与土木工程学院，江苏无锡 214122)

粉煤灰砖以粉煤灰为主要原材料，以矿渣等硅质材料及石灰、水泥等胶质材料为辅助原材料,按所需配比经原料处理、混合、轮碾、压制成型、养护等工序而制成,其在我国已有近半个世纪的生产应用历史。根据国家近年来关于取消实心粘土砖生产的方针,用粉煤灰砖取代粘土砖是较为合理有效的办法，也是切实可行的方法。作为一种新型的利废环保节能墙体材料,粉煤灰砖的优良特性显得尤为突出。粉煤灰砖具有很多优点，如质量较轻、导热系数较小、生产工艺布置紧凑等，同时，粉煤灰的生产有助于节约土地资源，节省能源消耗，保护环境等。

1 粉煤灰砖的生产工艺技术

粉煤灰砖在工程应用过程中出现不同程度的质量问题，其中，墙体裂纹及局部墙体耐久性的问题尤为突出。究其原因，是多方面的，其中最主要的原因是粉煤灰砖自身的产品质量问题，如果该问题得不到很好的解决，将会在很大程度上影响粉煤灰砖在工程实际中的应用[1]。为了使粉煤灰砖的产品质量满足工程应用的要求，下面就粉煤灰砖的原材料，合理配合比的选择，以及生产工艺技术的基本要求进行讨论和研究。

1.1 原料及其主要性能

粉煤灰砖以粉煤灰为主要原材料，以矿渣等硅质材料，石灰、淤泥等胶质材料及细骨料为辅助材料。为了满足产品自身的质量要求，各种原材料都应该满足相应的技术要求，并且满足各类国家规范。

1.1.1 粉煤灰

粉煤灰是煤灰在1500℃～1600℃高温燃烧形成的飞灰以无定形玻璃为主，且含有少量石英，莫来石，赤铁矿等结晶相和未燃尽的碳颗粒[2]。粉煤灰中含有的大量活性SiO2和Al2O3与石灰、石膏混合后，在水热介质条件下，生成稳定的以水化硅酸钙、水化铝酸钙、塑水化硫铝酸盐等为主的胶凝材料。其主要物理性质有：密度：1200～1700（kg/m3），堆积密度：550 ～100（kg/m3），密实度：0.5 ～0.8，比表面积：1600 ～3500（c ㎡/g），含水量：5%～7%。

1.1.2 淤泥（主要是湖泊河道淤泥）

淤泥：淤泥属易熔粘土，是各种矿物岩石碎屑的混合物。淤泥具有下列理化性质：

(1) 含砂量为15% ～20%，耐火度在1350℃以下，粉煤灰砖坯经焙烧后呈淡红色或桃红色.

表1 用于制砖的粉煤灰的化学组成(%)[2]

(2)颗粒组成：淤泥是运积粘土矿，其颗粒粒径小于0.005mm，塑性高，收缩率较大，具吸附性和膨胀性能，易干燥。

(3)含水率：绝对含水率较高，含水率为10%～20%。因此，淤泥采挖入原料场后，应经风化、困泥、陈腐熟化后投入生产为宜。

(4)可塑性：塑性指数大于15，是高可塑性原料。经直观试验，将淤泥搓成细条拉长至断裂，其断裂处形状长而细尖，表面张力和粘度大，结合力强，适于生产粉煤灰空心砖。

(5)收缩率：淤泥粉煤灰砖坯会产生干燥收缩和烧成收缩，一般干燥收缩率为5%～8%，烧成收缩率为3%～5%。

(6)淤泥的化学成分:淤泥中含SiO2小于60%、Al2O315%左右、Fe2O38%左右、CaO 和MgO 不足1%、有机质及化合水5%左右[3]。

1.1.3 生石灰

生石灰：纯生石灰的颜色为白色，因其含铁量不同，随着含铁量的增高呈现出黄色至红色；过火生石灰颜色大多为暗灰色；欠火生石灰颜色大多为淡黄色，且表面多呈现粉砂状。CaO 是生石灰的主要化学成分，其含量一般为65%～95%；MgO 是第二主要化学成分，其含量一般为0.5%～8.5%；除此之外，生石灰中还有少量Al2O3、Fe2O3等。生石灰质量的好坏直接影响着粉煤灰砖的生产成本和质量，因此选用生石灰时，应该关注活性CaO 含量高、MgO 含量低、消解速度快等特点[2]。

1.1.4 石膏

石膏的物理性质：颜色通常为白色或无色，无色透明晶体称为透石膏，有时因含杂质而成灰、浅黄、浅褐等色。凝结硬化快，但硬化时体积微膨胀。当石灰和水泥等胶凝材料硬化时往往产生收缩，硬化后增加砖的孔隙率，表观密度和强度较低。在使用中其降低了粉煤灰砖的耐水性和抗冻性，但可以提高粉煤灰砖的强度。实验结果表明：粉煤灰中Al2O3的含量为34.6%左右时，加入5%的石膏，可使砖的抗压强度提高2%～3%；粉煤灰中Al2O3的含量为25.6%左右时，加入3%的石膏，可使砖的抗压强度提高1.0%～1.5%。而且，掺入石膏同时可加速水化物的生成速度，增加水化物的结晶度，从而提高砖的早期抗折强度。同时，石膏有助抑制石灰的消化作用。在石灰中加入石膏，能使石灰的消解温度降低，并且延长消化时间，还能在石灰消化的过程中起到限制体积膨胀的作用。同时，混合料中的这种影响随石灰用量的增大而越发显著[2]。

1.1.5 矿渣

矿渣是指高炉炼铁熔融的矿渣在骤冷时，来不及结晶而形成的玻璃态物质。呈细粒状。矿渣经磨细后，是水泥的活性混合材料。含SiO2多的矿渣为酸性矿渣，含Al2O3和CaO 多的为碱性矿渣。碱性矿渣的活性比酸性矿渣高。矿渣由于具有一定的自身水硬性，不宜长期存放。目前，国内，使用矿渣作为辅料生产粉煤灰砖的工艺还不成熟，矿渣粉煤灰砖也没有得到工程中的广泛运用，主要原因是其反应机理还不是很清楚，有待进一步研究，另一原因是由于矿渣本身的价格不易于投入工程生产中。

1.1.6 细集料

粉煤灰砖应采用细集料作为其骨料，其粒径大于5mm ～10mm 的颗粒应不大于15%。可以采用天然细集料砂，以及人工细集料碎石屑，同时，也可以采用工业废渣（例如煤渣等）。在粉煤灰砖中，集料是作为调整颗粒级配的组成，要求颗粒级配合理，粉料少，颗粒强度应高于设计制品强度，应使用干堆积密度大于750kg/m3的多种粒径组成的集料，按照颗粒紧密堆积的原则进行粒径的选择，避免使用层理大颗粒比表面积小，物理化学性质不稳定的集料[1]。

1.2 不同种类粉煤灰砖的生产工艺

1.2.1 烧结粉煤灰砖

烧结粉煤灰砖的生产工艺流程为：原料选择→陈化→掺配→处理→成型→干燥→烧结。

粉煤灰生产烧结砖已有半个世纪的历史，其使用范围仅作“内燃料”掺配于黏土中，一般掺配量为20%～30%。烧结粉煤灰砖坯比黏土砖坯脱水快。粉煤灰在坯体中起骨架作用有利于坯体水分蒸发，从而缩短干燥周期，减小干燥收缩率，防止裂纹。粉煤灰发热量在砖坯体内燃烧，能加快火行速度，缩短焙烧时间，加速轮窑周转，提高成品产量[4]。

生产实践中得知，由于原料颗粒越细，塑性越高，产出率越高，质量越好。因而在原料选择中应选用的细粒粉煤灰和塑性较高的黏结材料，来提高混合料黏结性能。在此生产工艺中陈化是一关键性步骤，陈化过程的混合料在堆积中可借助于毛细管和蒸气压的作用，促使原料内水分均匀分布。从而加速颗粒充分水化和离子交换，促使混合料发生氧化与还原反应，使原料均匀松软。从而提高原料塑性、黏结性和成型性能，增强坯体密实度，使砖坯表面光滑平整[4]。

从原料角度保证砖质量的同时，生产流程中的烧结也极为关键，直接影响到成品砖质量的优劣。为保证烧结质量，在低温阶段应考虑热的冲击。为此，升温速率应适当放慢，一般以70 ～90℃/h 为宜；在中温阶段，砖体内的粉煤灰已开始均匀燃烧，升温速度可提高到100℃/h 上，但不能超过120℃/h，升温速度过快，可能造成砖体表面开裂或砖体内部燃烧不完全,产生黑心,影响外观质量或对砖强度也产生不利影响[5]；在达到最高烧结温度1100 ～1250℃时，恒温时间约定在2.5 ～3.5h，能达到较好的效果，然后缓慢降温，整个烧结过程保持在此30 ～35h 为宜。在烧结过程中，要尽量使窑体边部和中部的温度保持平衡，以保证烧成质量。

1.2.2 蒸压粉煤灰砖

蒸压粉煤灰砖的生产工艺流程为：原料加工→搅拌→消解→轮碾→压制成型→静停养护→高压蒸养[2]。

原料加工过程的关键是粉煤灰的脱水。一般采用浓缩-真空过滤法进行脱水处理。而辅料的破碎和磨细也对砖的质量起重要作用，例如，生石灰的颗粒越细，于粉煤灰颗粒之间的反应越快，水化产物越多，产品质量越好[6]。此工艺中，消解过程的好坏会影响到砖的质量。消解作用一是使生石灰充分消解，以便各原料之间进行反应，二是提高混合料的可塑性，便于成型。消解方式分为两种：料仓消解（1.5 ～4h）和地面消解（8～16h）[1]。轮碾的主要作用是对拌和料进行压实、均化和增塑，并使砖坯成型时的强度得到提高，同时，轮碾又激发了粉煤灰在碱性介质中的活性。静停养护的目的是使砖坯在蒸压养护之前达到一定的强度，以便在高压蒸养时能够抵御因温度和水分迁移产生的应力，防止砖坯裂缝[2]。静停养护分为自然静停、湿热静停和干热静停。高压蒸养既要提供激发活性所需要的温度，又要提供反应所必需的湿度和压力，促进砖坯中硅铝组分和石灰中的水化和水热合成反应，生成具有强度的水化产物，增加产品的结晶度，提高产品的性能[1]。在产品检测和工程实际应用中，经常发现粉煤灰砖强度不够，开缝脆断的情况，究其原因，蒸压粉煤灰砖在水化过程中真正用于水化反应的水量仅占胶结料的5%左右,大量的拌合水被包裹在粉煤灰的的颗粒中,多余的水便影响粉煤灰产品质量。因而在生产中加入早强减水剂，其作用机理是防止水分子渗入粉煤灰颗粒内部,使混合料拌合用水量降低,达到减水早强的效果，从而全面提升了粉煤灰砖的质量[7]。

1.2.3 免烧免蒸养粉煤灰砖

免烧免蒸养粉煤灰砖的生产工艺流程为：原料选择及称量→混磨→混拌→静置陈化→压制成型→养护[8]。

双免砖对粉煤灰有一定要求，其碳含量应在10%以下，对于大于10%的粉煤灰应选碳处理，当生石灰的质量较好，CaO 的含量较高的情况下粉煤灰的碳含量可以放宽到12%。同时，对于粉煤灰的含水量也有一定的要求，在含水量>30%时，应采取蒸发、过滤等脱水处理。在双免砖中还应掺入少量的水泥，能够提高砖的力学强度及耐久性。水泥在“双免砖”制作中是作为粉煤灰活性的激发剂和固化剂。生产实践表明水泥的掺量不宜超过7%[5]。

为了满足强度要求，原料的掺配是很关键的，实验中得知随着粉煤灰量的增加，强度有降低的趋势，因而需要控制粉煤灰的掺量，一般控制在55%～60%左右[9]。成型压力对粉煤灰砖的强度也有一定的影响，成型压力提高可以相应的提高密实度，在生产中有两种方法：一是采取合理级配，加入骨料，强力搅拌和二道轮碾；二是采用低水份高压成型。选用适当的固化剂可以提高砖的强度，水泥、生石灰或MgO 等可用作固化剂，在选择固化剂的同时最好能将早强、减水、抗冻等同时考虑[5]。良好的养护能够有效地提高双免砖的强度，生产工程中一般有两种养护方法：水中养护和自然养护。在水中养护的制品抗折强度和抗压强度要低于其它养护制度,因而在生产中很少使用，作为填充材料砖时可以使用。自然养护时需提供适宜的温度和湿度条件，实验表明，当条件满足时在28d,尤其在90d 时自然养护的粉煤灰砖完全有可能获得比标养及蒸压养护更高的强度，因此自然养护在实际生产中得到广泛应用[10]。

2 粉煤灰砖的优点及其环境效益

随着环境保护与可持续发展战略的实施，“绿色发展”已成为人类社会共同追求的目标，世界各国已将发展“绿色建材” 确定为重要的发展战略。1992 年学术界明确定义：“绿色建材”是指在原材料采用、产品制造、使用或者再循环过程中以及废料处理等环节中，对地球环境负荷最小和有利于人类健康的材料。粉煤灰砖的生产和使用均符合绿色建材的要求。目前，粉煤灰砖原材料来源广泛，使用性能良好，能满足各种建筑使用要求，成本与售价均低于普通实心粘土砖。粉煤灰砖隔热保温性能良好,对于节能减排、低碳环保具有重要意义，是真正意义上的“绿色建材”。粉煤灰砖在使用上能够适应各种强度等级承重及非承重墙体设计需要，并通过材性选择、墙体构造设计和已有配套材料来保证建筑体系的有效实施。粉煤灰砖取代原先的粘土砖,节约了粘土资源，既避免了由于粉煤灰的长期堆存大量占用土地,又减少了因烧制粘土砖取土而破坏耕地，彻底根除了由于粉煤灰长期堆存而造成的对大气、地下水、土壤的污染。